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微积分 / 英语

梯度

Khan Academy · YouTube · 5:30

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这段时长为180秒的白板讲解从纯计算角度引入梯度概念。主讲人在说明“几何解释将在后续给出”后,以示例函数 f(x,y)=x2sin⁡(y)f(x,y)=x^2\sin(y) 展开,计算出两个偏导数 ∂f∂x=2xsin⁡(y)\frac{\partial f}{\partial x}=2x\sin(y) 和 ∂f∂y=x2cos⁡(y)\frac{\partial f}{\partial y}=x^2\cos(y),再将它们组装为梯度向量 ∇f(x,y)=[2xsin⁡(y)x2cos⁡(y)]\nabla f(x,y)=\begin{bmatrix}2x\sin(y)\\ x^2\cos(y)\end{bmatrix}。片段还解释了符号 ∇\nabla 的含义,强调梯度是输入点的向量值函数,提及了三变量情形的类比,并在结束前开始书写通用梯度公式,但中途停止。 本节入门级多元微积分课程将梯度向量 ∇f 定义为一组偏导数的集合。以函数 f(x,y)=xf(x,y) = x²sin⁡(y)\sin (y) 为例,演示如何计算 ∂f/∂x 和 ∂f/∂y,进而构造梯度。讲师随后引入倒三角符号(∇),将其作为一种助记工具,代表一个由偏导数算子构成的向量,并说明将 ∇ 作用于一个函数即可得到其梯度。课程进一步阐明:倒三角向量的维数取决于函数中独立变量的个数,并指出这一概念对未来学习散度与旋度具有重要意义。

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章节

0:00主题预告:计算梯度0:30示例函数 f(x,y)=x2sin⁡(y)f(x,y)=x^2\sin(y)0:49对 x 的偏导数1:14对 y 的偏导数1:45梯度的记号与向量组装2:20梯度作为向量值函数2:39关于三变量的说明及一般公式的起始3:00通过实例定义梯度3:15倒三角符号作为算子向量

学习解说文稿

依据视频画面与讲解整理,并非逐字语音转写。

本片段开头即明确本次讲解的狭义目标:先解释如何计算梯度,而将几何意义的阐释留待后续视频。主讲人特别提醒,计算规则与最终的几何含义乍看之下并无明显关联。

为使计算具体化,黑板引入一个二元标量函数f(x,y)=x2sin⁡(y)f(x,y)=x^2\sin(y)。该选择使得xx中含一个多项式因子,yy中含一个三角函数因子,因此每个偏导数各自分离出公式中不同的部分。

接着,梯度被操作性地描述为一种将函数所有偏导数信息打包整合的对象。因此,下一步并非引入新定理,而是一项程序:先计算相关的偏导数。

在对xx求偏导时,主讲人将yy视为常数。此时sin⁡(y)\sin(y)成为常数乘子,且x2x^2的导数为2x2x,故黑板记下∂f∂x=2xsin⁡(y)\frac{\partial f}{\partial x}=2x\sin(y)。

在对yy求偏导时,角色互换:xx保持恒定,因此x2x^2成为常数乘子。利用sin⁡(y)\sin(y)的导数为cos⁡(y)\cos(y),黑板记下∂f∂y=x2cos⁡(y)\frac{\partial f}{\partial y}=x^2\cos(y)。

待两个分量均已备妥,梯度便以列向量形式组装完成。记号∇f\nabla f被引入,其中∇\nabla称为倒三角算子(nabla),常读作“del”,本例由此写作∇f=[2xsin⁡(y)x2cos⁡(y)]\nabla f=\begin{bmatrix}2x\sin(y)\\ x^2\cos(y)\end{bmatrix}。

随后,主讲人强调一个概念性要点:这不仅是一个静态向量表达式,更是一个以输入点为自变量的向量值函数。写出∇f(x,y)\nabla f(x,y)即清晰表明:二维空间中的每一点(x,y)(x,y)都被映射为一个二维输出向量。

最后,该思想被口头推广:对于三个变量,相同模式将产生三个偏导数及一个三维输出向量。一条新的下划线开始书写一般公式∇f=[∂f∂x;…]\nabla f=[\frac{\partial f}{\partial x};\ldots],但本片段在此处结束,尚未完成整个一般向量的书写。

视频开头将梯度向量∇f(x,y)\nabla f(x,y)定义为一个列向量,其分量为偏导数∂f∂x\frac{\partial f}{\partial x}和∂f∂y\frac{\partial f}{\partial y}。以具体例子f(x,y)=x2sin⁡(y)f(x,y) = x^2 \sin(y)为例,讲师计算出关于xx的偏导数为2xsin⁡(y)2x \sin(y),关于yy的偏导数为x2cos⁡(y)x^2 \cos(y),并将它们组合成最终的梯度向量。

接下来,概念转向倒三角符号(∇\nabla)。讲师将其描述为一种有用的助记工具,强调它不仅是一个标签,更可被视作一个装满偏导数算子的向量,例如[∂∂x∂∂y]\left[ \begin{smallmatrix} \frac{\partial}{\partial x} \\ \frac{\partial}{\partial y} \end{smallmatrix} \right]。将这一算子向量作用于函数ff,即可生成梯度。

讲师强调:尽管将∇\nabla视为一个算子向量看似非常规(因为标准向量包含的是数值而非算子),但它却是一种极为有力的概念工具。将这一算子向量‘乘以’函数ff,实质上意味着对函数ff关于每个变量分别求偏导数,从而得到梯度的各个分量。

引入这一记号,是因为倒三角符号(nabla)是其他关键向量微积分算子——特别是散度(divergence)和旋度(curl)——的基础,这些内容将在后续课程中讲解。将∇\nabla理解为一个算子向量,有助于更顺畅地过渡到这些更复杂的概念。

最后,讨论了倒三角算子的维数。讲师明确指出:∇\nabla向量所含分量的个数完全取决于函数输入空间的维数。对于二元函数,它有两个分量;对于三元函数,则有三个分量,依此类推。

本节最后总结道:计算梯度十分直接——本质上就是将各个偏导数汇集为一个向量。梯度真正的深刻内涵与实用价值,体现在其几何解释以及在方向导数中的应用,这些内容将在后续视频中展开。

知识卡片

01

本梯度课程的计算导向

本片段刻意首先将梯度作为一项计算来教授。主讲人指出几何解释将在后续视频中展开,并提醒观众:计算规则初看似乎与几何直觉毫无关联。

02

用于演示梯度的示例函数

所用例题是二元标量函数f(x,y)=x2sin⁡(y)f(x,y)=x^2\sin(y)。其选取理由在于:对某一变量求导时,另一因子作为常数保持不变。

f(x,y)=x2sin⁡(y)f(x,y)=x^2\sin(y)
03

梯度作为打包后的偏导数信息

在推导任何公式之前,视频片段从操作层面定义了梯度:它是将函数所有偏导数信息汇集到一个对象中的向量。

04

对 x 的偏导数

在计算∂f∂x\frac{\partial f}{\partial x}时,yy保持不变,因此sin⁡(y)\sin(y)表现得像一个常数乘子。对x2x^2求导得到2x2x,故得出屏幕上显示的结果。

∂f∂x=2xsin⁡(y)\frac{\partial f}{\partial x}=2x\sin(y)
05

对 y 的偏导数

在计算∂f∂y\frac{\partial f}{\partial y}时,xx保持不变,因此x2x^2表现得像一个常数乘子。sin⁡(y)\sin(y)的导数为cos⁡(y)\cos(y),从而得出屏幕上显示的结果。

∂f∂y=x2cos⁡(y)\frac{\partial f}{\partial y}=x^2\cos(y)
06

本例的梯度向量

两个偏导数被堆叠成一个列向量,其中xx-偏导位于上方,yy-偏导位于下方。这就是该示例函数的具体梯度。

∇f=[2xsin⁡(y)x2cos⁡(y)]\nabla f=\begin{bmatrix}2x\sin(y)\\ x^2\cos(y)\end{bmatrix}
07

符号 ∇ 的含义

倒三角形符号∇\nabla称为“nabla”,但讲者指出它常被读作“del”。因此∇f\nabla f可读作“del f”或“f 的梯度”。

∇f\nabla f
08

梯度在输入点处取值为向量

讲者强调,∇f(x,y)\nabla f(x,y)应被理解为关于点(x,y)(x,y)的函数,而不仅仅是一个固定向量。对于二元函数,它将二维空间中的点映射为二维向量。

∇f(x,y)=[2xsin⁡(y)x2cos⁡(y)]\nabla f(x,y)=\begin{bmatrix}2x\sin(y)\\ x^2\cos(y)\end{bmatrix}
09

口头提及三变量情形的推广

同样的构造可推广至三元函数:此时会有三个偏导数,梯度输出将是三维向量。本片段中未写出完整的三变量公式。

10

一般梯度公式的起始

最后,黑板开始书写一条通用规则:任意函数的梯度是由其偏导数构成的向量。在片段结束前,仅确立了顶部分量∂f∂x\frac{\partial f}{\partial x}。

∇f=[∂f∂x⋮]\nabla f=\begin{bmatrix}\frac{\partial f}{\partial x}\\ \vdots\end{bmatrix}
11

梯度向量的定义

标量函数f(x,y)f(x,y)的梯度,记作∇f\nabla f,是一个向量场,其方向指向该函数增长最快的方向;其各分量即为该函数对各个变量的偏导数。

∇f(x,y)=[∂f∂x∂f∂y]\nabla f(x,y) = \begin{bmatrix} \frac{\partial f}{\partial x} \\ \frac{\partial f}{\partial y} \end{bmatrix}
12

计算偏导数

要求梯度,首先需分别对每个变量独立计算偏导数。在对某一变量求导时,将其余所有变量视为常数。

For f(x,y)=x2sin⁡(y):∂f∂x=2xsin⁡(y),∂f∂y=x2cos⁡(y)\text{For } f(x,y)=x^2\sin(y): \quad \frac{\partial f}{\partial x} = 2x\sin(y), \quad \frac{\partial f}{\partial y} = x^2\cos(y)
13

倒三角作为算子向量

倒三角符号∇\nabla可被理解为一个由偏导数算子构成的形式向量。将其作用于函数ff时,这些算子将分别作用于该函数,从而生成梯度向量。

∇=[∂∂x∂∂y]  ⟹  ∇f=[∂f∂x∂f∂y]\nabla = \begin{bmatrix} \frac{\partial}{\partial x} \\ \frac{\partial}{\partial y} \end{bmatrix} \implies \nabla f = \begin{bmatrix} \frac{\partial f}{\partial x} \\ \frac{\partial f}{\partial y} \end{bmatrix}
14

倒三角算子的维数

倒三角算子向量的分量个数,等于函数空间中独立变量的个数。一个2维函数使用含2个分量的倒三角,而一个3维函数则需要含3个分量的倒三角。

∇3D=[∂∂x∂∂y∂∂z]\nabla_{3D} = \begin{bmatrix} \frac{\partial}{\partial x} \\ \frac{\partial}{\partial y} \\ \frac{\partial}{\partial z} \end{bmatrix}

详细学习笔记

按知识点查看条件、步骤和证据。补充解释与视频直接内容分别标明。

符号定义 · 19

f(x,y)f(x,y)

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    黑板上显示 f(x,y)=x2sin⁡(y)f(x,y)=x^2\sin(y)。

  2. 声音
    观察依据

    主讲人说:“假设它是 f 关于 x、y 的函数,等于 x 的平方乘以 y 的正弦。”

符号

f(x,y)f(x,y)

含义

一个二元标量函数,用作计算梯度的示例。

适用范围

二元实值函数;视频中未明确说明其定义域。

x

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    x 出现在 f(x,y)=x2sin⁡(y)f(x,y)=x^2\sin(y)、∂f∂x=2xsin⁡(y)\frac{\partial f}{\partial x}=2x\sin(y) 和 ∇f(x,y)\nabla f(x,y) 中。

  2. 声音
    观察依据

    主讲人在对 x 求偏导时将 x 视为变量,在对 y 求偏导时将 x 视为常数。

符号

x

含义

该二元函数的第一个输入坐标/变量。

适用范围

所展示的多元函数示例中的实变量;未明确说明其定义域。

y

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    y 出现在 f(x,y)=x2sin⁡(y)f(x,y)=x^2\sin(y)、∂f∂y=x2cos⁡(y)\frac{\partial f}{\partial y}=x^2\cos(y) 和 ∇f(x,y)\nabla f(x,y) 中。

  2. 声音
    观察依据

    主讲人在对 y 求偏导时将 y 视为变量,在对 x 求偏导时将 y 视为常数。

符号

y

含义

该二元函数的第二个输入坐标/变量。

适用范围

所展示的多元函数示例中的实变量;未明确说明其定义域。

∂f∂x\frac{\partial f}{\partial x}

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    黑板上写出 ∂f∂x=2xsin⁡(y)\frac{\partial f}{\partial x}=2x\sin(y)。

  2. 声音
    观察依据

    主讲人说:“f 对 x 的偏导数”,并解释 x 是变量、y 是常数。

符号

∂f∂x\frac{\partial f}{\partial x}

含义

f 对 x 的偏导数,此时 y 保持不变。

适用范围

针对所展示的函数 f(x,y)=x2sin⁡(y)f(x,y)=x^2\sin(y) 定义;结果表示为 2xsin⁡(y)2x\sin(y)。

∂f∂y\frac{\partial f}{\partial y}

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    黑板上写出 ∂f∂y=x2cos⁡(y)\frac{\partial f}{\partial y}=x^2\cos(y)。

  2. 声音
    观察依据

    主讲人说:“对 y 的偏导数”,并解释 x 被视为常数。

符号

∂f∂y\frac{\partial f}{\partial y}

含义

f 对 y 的偏导数,此时 x 保持不变。

适用范围

针对所展示的函数 f(x,y)=x2sin⁡(y)f(x,y)=x^2\sin(y) 定义;结果表示为 x2cos⁡(y)x^2\cos(y)。

∇\nabla

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    黑板上写出 ∇f\nabla f,随后写出 ∇f(x,y)\nabla f(x,y)。

  2. 声音
    观察依据

    主讲人说:“你用一个倒置的小三角形来表示它。这个符号名叫 nabla,但通常读作 del。”

符号

∇\nabla

含义

nabla/del 算子符号,用于表示梯度。

适用范围

此处用作标量函数的梯度记号。

∇f\nabla f

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    黑板上写出 ∇f\nabla f = [2xsin⁡(y)2x\sin(y); x2cos⁡(y)x^2\cos(y)]。

  2. 声音
    观察依据

    主讲人说:“梯度的作用,就是把这两个量合在一起,组成一个向量。”

符号

∇f\nabla f

含义

f 的梯度,写作一个向量,其分量为 f 的偏导数。

适用范围

对于所展示的双变量例子,它输出一个二维向量。

∇f(x,y)\nabla f(x,y)

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    主讲人在 ∇f\nabla f 后添加 (x,y),得到 ∇f(x,y)\nabla f(x,y)。

  2. 声音
    观察依据

    主讲人说:“这实际上是一个向量值函数……这是一个以二维空间中的点为输入、输出二维向量的函数。”

符号

∇f(x,y)\nabla f(x,y)

含义

梯度被明确视作输入点 (x,y) 的函数。

适用范围

在此例中,它以二维空间中的一个点为输入,输出一个二维向量。

[a;b]

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    梯度写在大的方括号内,一个分量在另一个分量上方。

  2. 声音
    观察依据

    主讲人说梯度“把这两个量合在一起组成一个向量”,并提到“第一个”和“下面那个”。

符号

[a;b]

含义

黑板上采用列向量记号,将偏导数垂直堆叠。

适用范围

本片段中用于二分量向量;主讲人还提到三变量情形下输出为三维向量。

∇f\nabla f = [∂f∂x\frac{\partial f}{\partial x}; …\ldots]

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    黑板下半部分起始为 ∇f\nabla f = [∂f∂x\frac{\partial f}{\partial x}; ...]。

  2. 声音
    观察依据

    主讲人说:“任意函数的梯度都等于一个向量,其分量为该函数的偏导数,即 f 对 x 的偏导数。”

待核验内容
  1. 最终的一般公式在片段结束前未完成;到结尾时仅可见顶部分量 ∂f∂x\frac{\partial f}{\partial x}。

符号

∇f\nabla f = [∂f∂x\frac{\partial f}{\partial x}; …\ldots]

含义

结尾处引入一般梯度记号:一个包含该函数各偏导数的向量。

适用范围

适用于一般函数;本片段未完成全部分量的讲解。

f(x,y)f(x,y)

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    在顶部中央显示为 f(x,y)=x2sin⁡(y)f(x,y) = x^2 \sin (y)。

符号

f(x,y)f(x,y)

含义

一个关于两个变量的标量值函数。

适用范围

二维输入空间 (x,y)。

x

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    用于 f(x,y)f(x,y) 及对 x 的偏导数中。

符号

x

含义

该函数的第一个自变量。

适用范围

实数。

知识点 · 13

本片段范围:梯度的计算入门

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    主讲人说:“接下来我将讲解梯度。在本视频中,我仅介绍如何计算梯度;而在接下来的几个视频中,我将给出其几何意义。”

  2. 图示
    观察依据

    左上方写有标题“梯度”。

定义
解释

本段明确指出当前课程聚焦于梯度的计算,而非解释其几何含义。主讲人将计算与后续的几何解释明确区分开来。

公式
适用条件
  1. 仅适用于当前视频片段。

  2. 几何意义推迟至后续视频讲解。

示例标量函数 f(x,y)=x2sin⁡(y)f(x,y)=x^2\sin(y)

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    黑板上写出 f(x,y)=x2sin⁡(y)f(x,y)=x^2\sin(y)。

  2. 声音
    观察依据

    主讲人说:“假设你有一个函数,我把它设为一个二元函数,例如 f(x,y)f(x,y) 等于 x 的平方乘以 y 的正弦。”

定义
解释

本片段引入一个具体的二元函数作为梯度计算的演示范例。该函数依赖于变量 x 和 y,并将多项式因子 x2x^2 与三角函数因子 sin⁡(y)\sin(y) 相结合。

公式
f(x,y)=x2sin⁡(y)f(x,y)=x^2\sin(y)
适用条件
  1. 该函数有两个输入变量:x 和 y。

  2. 视频中未明确说明定义域。

先修条目
  1. 本片段范围:梯度的计算入门

梯度作为偏导数信息的集合

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    主讲人说:“梯度是一种将函数所有偏导数信息整合在一起的方式。”

  2. 公式
    观察依据

    紧接着,黑板开始列出该示例函数的偏导数。

定义
解释

梯度在此处被操作性地定义为一个向量对象,其作用是将函数关于各输入变量的所有偏导数信息汇集于一体。在本片段中,即指收集关于每个输入变量的偏导数。

公式
适用条件
  1. 针对多元函数提出。

  2. 在该示例中,函数含有两个变量。

先修条目
  1. 示例标量函数 f(x,y)=x2sin⁡(y)f(x,y)=x^2\sin(y)

f 关于 x 的偏导数

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    黑板上写出 ∂f∂x=2xsin⁡(y)\frac{\partial f}{\partial x}=2x\sin(y)。

  2. 声音
    观察依据

    主讲人说:“我们视 x 为变量,y 为常数……x 的导数是2x,因此我们得到该结果为2x 乘以常数 sin y。”

公式
解释

对 f(x,y)=x2sin⁡(y)f(x,y)=x^2\sin(y) 关于 x 求偏导时,y 被视为常数,因此 sin⁡(y)\sin(y) 也是常数。x2x^2 的导数是2x,从而得到屏幕上显示的结果。

公式
∂f∂x=2xsin⁡(y)\frac{\partial f}{\partial x}=2x\sin(y)
适用条件
  1. 关于 x 求导。

  2. 令 y 保持不变。

  3. 应用于函数 f(x,y)=x2sin⁡(y)f(x,y)=x^2\sin(y)。

先修条目
  1. 示例标量函数 f(x,y)=x2sin⁡(y)f(x,y)=x^2\sin(y)
  2. 梯度作为偏导数信息的集合

f 关于 y 的偏导数

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    黑板上写出 ∂f∂y=x2cos⁡(y)\frac{\partial f}{\partial y}=x^2\cos(y)。

  2. 声音
    观察依据

    主讲人说:“x 被视为常数,因此 x 的平方也被视为常数……该常数乘以 cos y,而 cos y 是 sin y 的导数。”

公式
解释

对 f(x,y)=x2sin⁡(y)f(x,y)=x^2\sin(y) 关于 y 求偏导时,x 被视为常数,因此 x2x^2 是常数。sin⁡(y)\sin(y) 的导数是 cos⁡(y)\cos(y),从而得到屏幕上显示的结果。

公式
∂f∂y=x2cos⁡(y)\frac{\partial f}{\partial y}=x^2\cos(y)
适用条件
  1. 关于 y 求导。

  2. 令 x 保持不变。

  3. 应用于函数 f(x,y)=x2sin⁡(y)f(x,y)=x^2\sin(y)。

先修条目
  1. 示例标量函数 f(x,y)=x2sin⁡(y)f(x,y)=x^2\sin(y)
  2. 梯度作为偏导数信息的集合

该示例函数的梯度,以列向量形式表示

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    黑板上写出 ∇f\nabla f = [2xsin⁡(y)2x\sin(y); x2cos⁡(y)x^2\cos(y)]。

  2. 声音
    观察依据

    主讲人说:“梯度的作用,就是将这两个偏导数合并成一个向量……第一个分量是关于 x 的偏导数……下方分量是关于 y 的偏导数。”

公式
解释

梯度由已计算出的偏导数组成,按顺序堆叠为一个向量。对于这个双变量示例,上方分量为 ∂f∂x\frac{\partial f}{\partial x},下方分量为 ∂f∂y\frac{\partial f}{\partial y}。

公式
∇f=[2xsin⁡(y)x2cos⁡(y)]\nabla f = \begin{bmatrix} 2x\sin(y) \\ x^2\cos(y) \end{bmatrix}
适用条件
  1. 本例中,该函数含有两个变量。

  2. 各分量按 x 方向偏导、y 方向偏导的顺序排列。

先修条目
  1. f 关于 x 的偏导数
  2. f 关于 y 的偏导数
  3. 梯度作为偏导数信息的集合

梯度的记号:〔∇f〕

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    符号 ∇\nabla 写在 f 的前面。

  2. 声音
    观察依据

    主讲人说:“你用一个倒置的小三角形来表示它。这个符号的名字叫‘nabla’,但通常读作‘del’。你会读作‘del f’或‘f 的梯度’。”

定义
解释

梯度记作〔∇f〕。符号〔∇〕称为 nabla,但主讲人指出它常被读作“del”,因此〔∇f〕可读作“del f”或“f 的梯度”。

公式
∇f\nabla f
适用条件
  1. 用于表示一个函数的梯度。

先修条目
  1. 该示例函数的梯度,以列向量形式表示

梯度作为输入点的向量值函数

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    主讲人将左侧重写为〔∇f(x,y)f(x,y)〕。

  2. 声音
    观察依据

    主讲人说:“这实际上是一个向量值函数……它接收二维空间中的一个点,输出一个二维向量。”

定义
解释

该片段强调〔∇f〕不仅仅是一个静态的向量表达式,而是输入点的函数。在双变量例子中,它将二维空间中的点〔(x,y)〕映射为一个二维向量。

公式
∇f(x,y)=[2xsin⁡(y)x2cos⁡(y)]\nabla f(x,y)=\begin{bmatrix} 2x\sin(y) \\ x^2\cos(y) \end{bmatrix}
适用条件
  1. 输入是二维空间中的一个点〔(x,y)〕。

  2. 在此例中,输出是一个二维向量。

先修条目
  1. 该示例函数的梯度,以列向量形式表示
  2. 梯度的记号:〔∇f〕

梯度概念向三个变量的推广

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    主讲人说:“你也可以想象对三个不同变量做这件事,那样就会有三个偏导数,并得到一个三维输出。”

方法
解释

主讲人指出,同样的构造可推广至两个以上变量:当有三个输入变量时,梯度将包含三个偏导数,并生成一个三维向量。

公式
适用条件
  1. 适用于函数具有三个变量的情形。

  2. 仅以口头方式陈述;本片段中未写出三变量公式。

先修条目
  1. 梯度作为输入点的向量值函数

一般梯度公式的起始部分

时间近似
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    下方黑板开始书写〔∇f = [∂f/∂x; ...]〕。

  2. 声音
    观察依据

    主讲人说:“任意函数的梯度等于一个由其偏导数组成的向量,即 f 对 x 的偏导数。”

待核验内容
  1. 一般梯度公式在本片段结束时尚未完成;截止前仅明确建立了第一个分量。

公式
解释

在本片段末尾,主讲人开始书写任意函数梯度的一般表达式——即由其偏导数组成的向量。可见且可听的部分确立了顶部分量〔∂f/∂x〕,但完整公式未在本段内完成。

公式
∇f=[∂f∂x⋮]\nabla f = \begin{bmatrix} \frac{\partial f}{\partial x} \\ \vdots \end{bmatrix}
适用条件
  1. 旨在作为具有多个变量的函数的一般性陈述。

  2. 本片段未完整列出全部分量。

先修条目
  1. 梯度作为偏导数信息的集合
  2. 梯度的记号:〔∇f〕

梯度向量的定义

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    展示梯度向量 ∇f(x,y)f(x,y) 由 ∂f/∂x 和 ∂f/∂y 构成。

  2. 声音
    观察依据

    讲解者说:“我们称这些为偏导数……我喜欢把梯度看作‘全导数’,因为它实际上涵盖了你所需的所有信息。”

定义
解释

标量函数 f(x,y)f(x,y) 的梯度是一个向量,其各分量分别为 f 关于每个自变量的偏导数;记作 ∇f。

公式
∇f(x,y)=[∂f∂x∂f∂y]\nabla f(x,y) = \begin{bmatrix} \frac{\partial f}{\partial x} \\ \frac{\partial f}{\partial y} \end{bmatrix}
适用条件
  1. f 必须是关于多个变量的可微标量函数。

先修条目
  1. 计算偏导数

计算偏导数

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    显示 ∂f/∂x=2xsin⁡(y)x = 2x \sin (y) 和 ∂f/∂y=x2cos⁡(y)y = x^2 \cos (y)。

方法
解释

求关于某一变量的偏导数时,将其他所有变量视为常数,并按常规方法求导。

公式
∂∂x(x2sin⁡(y))=2xsin⁡(y),∂∂y(x2sin⁡(y))=x2cos⁡(y)\frac{\partial}{\partial x}(x^2 \sin(y)) = 2x \sin(y), \quad \frac{\partial}{\partial y}(x^2 \sin(y)) = x^2 \cos(y)
适用条件
  1. 该函数必须关于正在求导的变量可微。

定理与条件 · 3

梯度汇集了所有偏导数信息

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    主讲人说:“梯度是一种将函数所有偏导数信息打包在一起的方式。”

命题
命题

对于多元函数,梯度是通过汇集该函数的偏导数信息所得的向量。

前提
  1. 该函数对其输入变量存在偏导数。

  2. 本片段在双变量示例的背景下呈现此概念。

量词

虽以一般函数形式陈述,但本片段仅以 f(x,y)=x2sin⁡(y)f(x,y)=x^2\sin(y) 为例进行演示。

对于这个双变量示例,梯度将点映射为2D向量

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    主讲人说:“这是一个接收二维空间中一点并输出二维向量的函数。”

  2. 公式
    观察依据

    黑板上显示 ∇f(x,y)=[2xsin⁡(y)x2cos⁡(y)]\nabla f(x,y)=\begin{bmatrix}2x\sin(y)\\ x^2\cos(y)\end{bmatrix}。

命题
命题

对于所展示的双变量函数,∇f(x,y)\nabla f(x,y) 是一个向量值函数,其输入是二维空间中的一点,输出是一个二维向量。

前提
  1. 该函数有两个输入变量 x 和 y。

  2. 梯度由黑板上显示的两个偏导数构成。

量词

明确针对双变量示例陈述;主讲人另行提到了三变量类比。

梯度的三变量类比

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    主讲人说:“你也可以设想对三个不同变量做这件事,此时将得到三个偏导数和一个三维输出。”

待核验内容
  1. 本片段中屏幕上未写出三变量公式。

命题
命题

若将相同构造应用于三元函数,则其梯度包含三个偏导数,并产生三维输出。

前提
  1. 该函数有三个输入变量。

  2. 梯度由对每个变量分别求偏导数并汇总而成。

量词

以口头陈述方式给出一般性推广,本片段中未写出具体示例。

推导与证明 · 4

对函数 f(x,y)=x2sin⁡(y)f(x,y)=x^2\sin(y) 求关于 x 的偏导数 ∂f∂x\frac{\partial f}{\partial x}。

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    黑板上写出 ∂f∂x=2xsin⁡(y)\frac{\partial f}{\partial x}=2x\sin(y)。

  2. 声音
    观察依据

    讲解者说明:x 是变量,y 是常数;x2x^2 的导数为 2x。

严格证明
步骤
  1. 公式
    f(x,y)=x2sin⁡(y)f(x,y)=x^2\sin(y)
    解释

    从给定的二元函数出发。

    步骤依据

    黑板上写出的示例函数。

    视频直接表达
  2. 公式
    Treat y as constant, so sin⁡(y) is constant with respect to x.\text{Treat } y \text{ as constant, so } \sin(y) \text{ is constant with respect to } x.
    解释

    在对 x 求偏导时,仅 x 变化。

    步骤依据

    讲解者所陈述的关于 x 的偏微分定义。

    视频直接表达
  3. 公式
    ddx(x2)=2x\frac{d}{dx}(x^2)=2x
    解释

    对含 x 的因子进行求导。

    步骤依据

    讲解者口头引用的普通单变量求导的幂法则。

    视频直接表达
  4. 公式
    ∂f∂x=2xsin⁡(y)\frac{\partial f}{\partial x}=2x\sin(y)
    解释

    将 x2x^2 的导数乘以常数因子 sin⁡(y)\sin(y)。

    步骤依据

    关于 x 的偏微分中的常数倍法则。

    视频直接表达
结论

该示例函数关于 x 的偏导数为 ∂f∂x=2xsin⁡(y)\frac{\partial f}{\partial x}=2x\sin(y)。

对函数 f(x,y)=x2sin⁡(y)f(x,y)=x^2\sin(y) 求关于 y 的偏导数 ∂f∂y\frac{\partial f}{\partial y}。

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    黑板上写出 ∂f∂y=x2cos⁡(y)\frac{\partial f}{\partial y}=x^2\cos(y)。

  2. 声音
    观察依据

    讲解者说明:x 被视为常数,且正弦函数的导数是余弦函数。

严格证明
步骤
  1. 公式
    f(x,y)=x2sin⁡(y)f(x,y)=x^2\sin(y)
    解释

    再次从同一函数出发。

    步骤依据

    黑板上写出的示例函数。

    视频直接表达
  2. 公式
    Treat x as constant, so x2 is constant with respect to y.\text{Treat } x \text{ as constant, so } x^2 \text{ is constant with respect to } y.
    解释

    在对 y 求偏导时,仅 y 变化。

    步骤依据

    对 y 求偏导数的定义,由主讲人给出。

    视频直接表达
  3. 公式
    ddy(sin⁡(y))=cos⁡(y)\frac{d}{dy}(\sin(y))=\cos(y)
    解释

    对含 y 的因子求导。

    步骤依据

    正弦函数的标准导数,主讲人明确指出。

    视频直接表达
  4. 公式
    ∂f∂y=x2cos⁡(y)\frac{\partial f}{\partial y}=x^2\cos(y)
    解释

    将常数因子 x2x^2 乘以导数 cos⁡(y)\cos(y)。

    步骤依据

    对 y 进行偏微分时的常数倍法则。

    视频直接表达
结论

该示例函数对 y 的偏导数为 ∂f∂y=x2cos⁡(y)\frac{\partial f}{\partial y}=x^2\cos(y)。

由两个偏导数组装梯度向量。

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    黑板上写出 ∇f=[2xsin⁡(y)x2cos⁡(y)]\nabla f = \begin{bmatrix}2x\sin(y)\\ x^2\cos(y)\end{bmatrix}。

  2. 声音
    观察依据

    主讲人称梯度“将这两个结果合成为一个向量”,其中对 x 的偏导在上方,对 y 的偏导在下方。

严格证明
步骤
  1. 公式
    ∂f∂x=2xsin⁡(y)\frac{\partial f}{\partial x}=2x\sin(y)
    解释

    使用先前算出的对 x 的偏导作为第一个分量。

    步骤依据

    已在黑板上由示例函数推导得出。

    视频直接表达
  2. 公式
    ∂f∂y=x2cos⁡(y)\frac{\partial f}{\partial y}=x^2\cos(y)
    解释

    使用先前算出的对 y 的偏导作为第二个分量。

    步骤依据

    已在黑板上由示例函数推导得出。

    视频直接表达
  3. 公式
    ∇f=[∂f∂x∂f∂y]\nabla f = \begin{bmatrix} \frac{\partial f}{\partial x} \\ \frac{\partial f}{\partial y} \end{bmatrix}
    解释

    按先 x 后 y 的顺序,将偏导数填入列向量。

    步骤依据

    主讲人给出梯度的定义:梯度是收集所有偏导数信息的向量。

    视频直接表达
  4. 公式
    ∇f=[2xsin⁡(y)x2cos⁡(y)]\nabla f = \begin{bmatrix} 2x\sin(y) \\ x^2\cos(y) \end{bmatrix}
    解释

    将已计算出的分量表达式代入该向量。

    步骤依据

    直接代入两个已推导出的偏导数。

    视频直接表达
结论

对于 f(x,y)=x2sin⁡(y)f(x,y)=x^2\sin(y),其梯度为 ∇f=[2xsin⁡(y)x2cos⁡(y)]\nabla f = \begin{bmatrix} 2x\sin(y) \\ x^2\cos(y) \end{bmatrix}。

计算某个具体函数的梯度

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    屏幕上逐步演示函数 f(x,y)=x2sin⁡(y)f(x,y) = x^2 \sin (y) 的计算过程。

数值验证
步骤
  1. 公式
    f(x,y)=x2sin⁡(y)f(x,y) = x^2 \sin(y)
    解释

    从给定的标量函数出发。

    步骤依据

    题目中已给出。

    视频直接表达
  2. 公式
    ∂f∂x=2xsin⁡(y)\frac{\partial f}{\partial x} = 2x \sin(y)
    解释

    对 f 关于 x 求偏导数,将 y 视为常数。

    步骤依据

    偏微分的幂法则与常数倍法则。

    视频直接表达
  3. 公式
    ∂f∂y=x2cos⁡(y)\frac{\partial f}{\partial y} = x^2 \cos(y)
    解释

    对 f 关于 y 求偏导数,将 x 视为常数。

    步骤依据

    正弦函数的导数是余弦函数;x2x^2 被视为常数系数。

    视频直接表达
  4. 公式
    ∇f(x,y)=[2xsin⁡(y)x2cos⁡(y)]\nabla f(x,y) = \begin{bmatrix} 2x \sin(y) \\ x^2 \cos(y) \end{bmatrix}
    解释

    将各偏导数组装成梯度向量。

    步骤依据

    梯度向量的定义。

    视频直接表达
结论

函数 f(x,y)=x2sin⁡(y)f(x,y) = x^2 \sin (y) 的梯度为向量 [2xsin⁡(y)2x \sin (y), x2cos⁡(y)x^2 \cos (y)]^T。

例题详解 · 2

例题:计算函数 f(x,y)=x2sin⁡(y)f(x,y)=x^2\sin(y) 的梯度

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    黑板依次显示 f(x,y)=x2sin⁡(y)f(x,y)=x^2\sin(y),∂f∂x=2xsin⁡(y)\frac{\partial f}{\partial x}=2x\sin(y),∂f∂y=x2cos⁡(y)\frac{\partial f}{\partial y}=x^2\cos(y),以及 ∇f(x,y)=[2xsin⁡(y)x2cos⁡(y)]\nabla f(x,y)=\begin{bmatrix}2x\sin(y)\\ x^2\cos(y)\end{bmatrix}。

  2. 声音
    观察依据

    主讲人逐步讲解偏导数的计算过程,然后将其组装成梯度。

题目

已知二元函数 f(x,y)=x2sin⁡(y)f(x,y)=x^2\sin(y),求其梯度。

已知条件
  1. f(x,y)=x2sin⁡(y)f(x,y)=x^2\sin(y)

  2. 该函数有两个变量:x 和 y。

  3. 梯度由所有偏导数组成一个向量。

目标

显式地求出 ∇f(x,y)\nabla f(x,y)。

步骤
  1. 公式
    ∂f∂x\frac{\partial f}{\partial x}
    解释

    首先计算对 x 的偏导数。

    步骤依据

    讲解者指出,应先计算该函数的偏导数。

    视频直接表达
  2. 公式
    ∂f∂x=2xsin⁡(y)\frac{\partial f}{\partial x}=2x\sin(y)
    解释

    将 y 视为常数,对 x2x^2 求导得 2x,并将 sin⁡(y)\sin(y) 作为常数因子保留。

    步骤依据

    运用偏微分法则与幂函数求导法则,如音频中所解释。

    视频直接表达
  3. 公式
    ∂f∂y\frac{\partial f}{\partial y}
    解释

    接下来计算对 y 的偏导数。

    步骤依据

    讲解者从对 x 的偏导转向对 y 的偏导。

    视频直接表达
  4. 公式
    ∂f∂y=x2cos⁡(y)\frac{\partial f}{\partial y}=x^2\cos(y)
    解释

    将 x 视为常数,因此 x2x^2 保持不变,再对 sin⁡(y)\sin(y) 求导得 cos⁡(y)\cos(y)。

    步骤依据

    运用偏微分法则与正弦函数的标准导数公式,如音频中所解释。

    视频直接表达
  5. 公式
    ∇f=[∂f∂x∂f∂y]\nabla f = \begin{bmatrix} \frac{\partial f}{\partial x} \\ \frac{\partial f}{\partial y} \end{bmatrix}
    解释

    将两个偏导数组合成一个列向量。

    步骤依据

    梯度的定义即为将所有偏导数信息打包成一个向量。

    视频直接表达
  6. 公式
    ∇f(x,y)=[2xsin⁡(y)x2cos⁡(y)]\nabla f(x,y)=\begin{bmatrix}2x\sin(y)\\ x^2\cos(y)\end{bmatrix}
    解释

    代入已求得的分量,并强调梯度依赖于输入点 (x,y)。

    步骤依据

    直接代入前几步的结果;讲解者明确写出 (x,y) 以突出该向量值函数的依赖关系。

    视频直接表达
结果

∇f(x,y)=[2xsin⁡(y)x2cos⁡(y)]\nabla f(x,y)=\begin{bmatrix}2x\sin(y)\\ x^2\cos(y)\end{bmatrix}

检验

该结果与黑板上最终表达式一致,且直接由前述两个已展示的偏导数得出。

示例:函数 f(x,y)=x2sin⁡(y)f(x,y) = x^2 \sin (y) 的梯度

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    白板上展示完整解题过程。

题目

计算函数 f(x,y)=x2sin⁡(y)f(x,y) = x^2 \sin (y) 的梯度向量 ∇f。

已知条件
  1. f(x,y)=x2sin⁡(y)f(x,y) = x^2 \sin(y)

目标

求 ∇f(x,y)\nabla f(x,y)。

步骤
  1. 公式
    ∂f∂x=∂∂x(x2sin⁡(y))=2xsin⁡(y)\frac{\partial f}{\partial x} = \frac{\partial}{\partial x}(x^2 \sin(y)) = 2x \sin(y)
    解释

    计算关于 x 的偏导数。

    步骤依据

    偏微分的标准法则。

    视频直接表达
  2. 公式
    ∂f∂y=∂∂y(x2sin⁡(y))=x2cos⁡(y)\frac{\partial f}{\partial y} = \frac{\partial}{\partial y}(x^2 \sin(y)) = x^2 \cos(y)
    解释

    计算关于 y 的偏导数。

    步骤依据

    偏微分的常规法则。

    视频直接表达
  3. 公式
    ∇f(x,y)=[∂f∂x∂f∂y]=[2xsin⁡(y)x2cos⁡(y)]\nabla f(x,y) = \begin{bmatrix} \frac{\partial f}{\partial x} \\ \frac{\partial f}{\partial y} \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 2x \sin(y) \\ x^2 \cos(y) \end{bmatrix}
    解释

    利用计算出的偏导数构造梯度向量。

    步骤依据

    梯度的定义。

    视频直接表达
结果

∇f(x,y)=[2xsin⁡(y)x2cos⁡(y)]\nabla f(x,y) = \begin{bmatrix} 2x \sin(y) \\ x^2 \cos(y) \end{bmatrix}

检验

结果与黑板上写出的最终表达式一致。

图示与动画 · 5

黑板初始布局引入主题与示例函数

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 图示
    观察依据

    左上角出现标题“梯度”,随后在画面顶部中央附近写出公式 f(x,y)=x2sin⁡(y)f(x,y)=x^2\sin(y)。

  2. 声音
    观察依据

    主讲人将本节主题介绍为计算梯度,并选取了一个含两个变量的示例函数。

图中对象
  1. 标题文字“梯度”

  2. 公式 f(x,y)=x2sin⁡(y)f(x,y)=x^2\sin(y)

变化过程
  1. 黑板起初大部分为空白。

  2. 首先写出标题。

  3. 示例函数写在标题下方或右方。

不变量
  1. 在此时间段内,主题始终是梯度。

  2. 示例函数一旦写出即保持固定不变。

数学含义

视觉布置表明,本片段将从一个具体的二元标量函数出发,逐步展开梯度的计算。

两个偏导数按顺序依次写出

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 图示
    观察依据

    在示例函数下方写出两行:∂f∂x=2xsin⁡(y)\frac{\partial f}{\partial x}=2x\sin(y) 和 ∂f∂y=x2cos⁡(y)\frac{\partial f}{\partial y}=x^2\cos(y)。

  2. 声音
    观察依据

    主讲人依次讲解两个偏导数,先对 x 求偏导,再对 y 求偏导。

图中对象
  1. 表达式 ∂f∂x=2xsin⁡(y)\frac{\partial f}{\partial x}=2x\sin(y)

  2. 表达式 ∂f∂y=x2cos⁡(y)\frac{\partial f}{\partial y}=x^2\cos(y)

变化过程
  1. 先写出对 x 的偏导数。

  2. 再在其下方写出对 y 的偏导数。

不变量
  1. 两个表达式均对应同一个原始函数 f(x,y)=x2sin⁡(y)f(x,y)=x^2\sin(y)。

  2. 变量顺序始终为 x 在前、y 在后。

数学含义

黑板直观地分隔了两个后续将组合成梯度向量的成分计算。

将梯度组装为列向量

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 图示
    观察依据

    在右侧,黑板上先写出 ∇f\nabla f,然后是一个大型列向量,其上方为2xsin⁡(y)2x\sin(y),下方为 x2cos⁡(y)x^2\cos(y)。

  2. 声音
    观察依据

    讲解者指出,梯度将两个偏导数整合为一个向量,并随后添加 (x,y) 以强调其向量值依赖性。

图中对象
  1. 符号 ∇f\nabla f

  2. 列向量 \begin{bmatrix}2xsin⁡(y)2x\sin(y)\\ 这条公式需要核验,请通过页面反馈入口报告。{bmatrix)

  3. 添加自变量 (x,y)

变化过程
  1. 引入梯度符号。

  2. 画出向量括号。

  3. 填入顶部成分 2xsin⁡(y)2x\sin(y)。

  4. 填入底部成分 x2cos⁡(y)x^2\cos(y)。

  5. 记号扩展为 ∇f(x,y)\nabla f(x,y)。

不变量
  1. 顶部成分对应于对 x 的偏导数。

  2. 底部成分对应于对 y 的偏导数。

  3. 原函数及其偏导数仍保留在左侧可见。

数学含义

书写动画清晰表明:梯度并非一个全新且无关的量,而是对先前已计算出的偏导数进行的结构化封装。

黑板底部开始呈现更一般的梯度记号。

时间近似
视频直接表达
来源依据
  1. 图示
    观察依据

    新起一行,以 ∇f\nabla f = 和一个列向量开头,该列向量的顶部元素为 ∂f∂x\frac{\partial f}{\partial x}。

  2. 声音
    观察依据

    讲解者说:“任意函数的梯度等于一个由其偏导数组成的向量,即 f 对 x 的偏导数。”

待核验内容
  1. 一般形式的向量其余部分在片段结束前未完成书写。

图中对象
  1. 新行开始:∇f\nabla f =

  2. 上分量:∂f∂x\frac{\partial f}{\partial x}

变化过程
  1. 注意力从具体例子转向一般公式。

  2. 截断前仅写出了一般向量的第一个分量。

不变量
  1. 记号仍使用 ∇f\nabla f。

  2. 结构仍为一个由偏导数组成的向量。

数学含义

结尾处视觉上从已演算的例子过渡到一般性规则:梯度是由偏导数组成的向量。

白板布局与推演过程

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 图示
    观察依据

    静态布局,展示函数定义、偏导数、梯度公式以及倒三角算子(∇)的解释。

图中对象
  1. 函数 f(x,y)f(x,y)

  2. 偏导数 ∂f/∂x 和 ∂f/∂y

  3. 梯度向量 ∇f

  4. 倒三角算子 ∇

变化过程
  1. 初始状态显示已预先计算出的偏导数和梯度。

  2. 主讲人写出 ∇f 的一般定义。

  3. 主讲人将倒三角符号 ∇ 引入为一组算子构成的向量。

  4. 主讲人将倒三角概念推广至更高维空间。

不变量
  1. 具体示例 f(x,y)=x2sin⁡(y)f(x,y) = x^2 \sin (y) 始终可见。

  2. 该示例所计算出的梯度保持不变。

数学含义

视觉推演过程从具体的数值示例出发,逐步过渡到梯度的抽象算子定义,从而强化二者之间的联系。

易错点 · 3

假设计算规则本应自然地立即揭示几何含义

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    主讲人说:“我讨厌先展示计算再讲几何直观,因为通常顺序应该反过来;但梯度偏偏是那种怪东西——它的计算方式初看似乎与直观理解毫无关联。”

误区

人们可能预期梯度的公式一出现就能立刻显现出其几何解释。

说明

主讲人明确提醒:本例中计算过程与几何直观初看确实无关,二者之间的联系将在后续视频中讲解。

将 ∇f\nabla f 视为唯一固定的向量

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    主讲人说:“或许我该强调,这实际上是一个向量值函数……它接收二维空间中的一个点,输出一个二维向量。”

  2. 公式
    观察依据

    记号由 ∇f\nabla f 修订为 ∇f(x,y)\nabla f(x,y)。

误区

学习者可能将 ∇f\nabla f 读作一个单纯的向量表达式,而非输入点的函数。

说明

该片段强调 ∇f(x,y)\nabla f(x,y) 是向量值的:每个输入点 (x,y) 都对应一个输出向量。

倒三角算子 ∇ 的维数

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    主讲人回答‘倒三角符号的维数是多少?’这一问题。

误区

学生可能误以为倒三角符号(∇)在任何语境下都具有固定的维数。

说明

倒三角向量的维数取决于它所作用的函数中独立变量的个数:对于一个2维函数,它有2个分量;对于一个3维函数,它有3个分量。

概念关系 · 7

f 关于 x 的偏导数 → 该示例函数的梯度,以列向量形式表示

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    主讲人将梯度定义为“打包”偏导数信息,并先计算偏导数,再构造 ∇f\nabla f。

  2. 公式
    观察依据

    黑板内容从 ∂f∂x\frac{\partial f}{\partial x} 和 ∂f∂y\frac{\partial f}{\partial y} 过渡到 ∇f=[2xsin⁡(y)x2cos⁡(y)]\nabla f = \begin{bmatrix}2x\sin(y)\\ x^2\cos(y)\end{bmatrix}。

证明依赖
解释

该例中的梯度直接由先前算出的偏导数构建而成。

f 关于 y 的偏导数 → 该示例函数的梯度,以列向量形式表示

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    梯度向量的下分量恰好就是先前写出的 ∂f∂y\frac{\partial f}{\partial y}。

证明依赖
解释

y方向的偏导数提供了例题中梯度向量的第二个分量。

梯度作为输入点的向量值函数 → 梯度概念向三个变量的推广

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    在将二元函数的梯度描述为映射到二维向量之后,主讲人指出:对于三元函数,将有三个偏导数,并产生一个三维输出。

推广
解释

关于三元函数的表述,将同一梯度构造从两个输入变量与两个输出分量,推广到了三个输入变量与三个输出分量。

该示例函数的梯度,以列向量形式表示 → 一般梯度公式的起始部分

时间近似
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    黑板上首先展示了具体梯度 ∇f(x,y)=[2xsin⁡(y)x2cos⁡(y)]\nabla f(x,y)=\begin{bmatrix}2x\sin(y)\\ x^2\cos(y)\end{bmatrix},随后开始书写下方更一般的表达式 ∇f\nabla f = [∂f∂x\frac{\partial f}{\partial x}; ...]。

  2. 声音
    观察依据

    主讲人从例题过渡到“任意函数的梯度”。

待核验内容
  1. 该通用公式在本片段结束时仍未写完。

推广
解释

这个具体的二元函数例题引出了更一般的规则:梯度是由所有偏导数组成的向量。

梯度的记号:〔∇f〕 → 梯度作为输入点的向量值函数

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    记号从 ∇f\nabla f 变为 ∇f(x,y)\nabla f(x,y)。

  2. 声音
    观察依据

    主讲人解释说,添加 (x,y) 是为了强调梯度是一个向量值函数。

包含
解释

记号 ∇f\nabla f 被细化为 ∇f(x,y)\nabla f(x,y),以表明梯度依赖于输入点。

计算偏导数 → 梯度向量的定义

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    梯度明确地由偏导数组成。

先修
解释

在构造梯度向量之前,必须先掌握如何计算偏导数。

倒三角符号作为算子向量 → 梯度向量的定义

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    讲解者将倒三角符号(∇)直接与求梯度这一运算联系起来。

应用
解释

倒三角算子作用于一个标量函数时,产生该函数的梯度。

问题定位 · 11

本视频在给出梯度的几何解释之前,是如何定义梯度的?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    主讲人将梯度定义为把偏导数信息整合在一起,并由此从两个偏导数出发构造出梯度。

涉及知识点
  1. 梯度作为偏导数信息的集合
  2. 该示例函数的梯度,以列向量形式表示

为什么 ∂f∂x=2xsin⁡(y)\frac{\partial f}{\partial x}=2x\sin(y) 对于 f(x,y)=x2sin⁡(y)f(x,y)=x^2\sin(y)?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    黑板上显示 ∂f∂x=2xsin⁡(y)\frac{\partial f}{\partial x}=2x\sin(y)。

  2. 声音
    观察依据

    主讲人解释了将 y 视为常数。

涉及知识点
  1. f 关于 x 的偏导数
  2. 对函数 f(x,y)=x2sin⁡(y)f(x,y)=x^2\sin(y) 求关于 x 的偏导数 ∂f∂x\frac{\partial f}{\partial x}。

为什么对 y 求导会得到 x2cos⁡(y)x^2\cos(y)?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    黑板上显示 ∂f∂y=x2cos⁡(y)\frac{\partial f}{\partial y}=x^2\cos(y)。

  2. 声音
    观察依据

    主讲人解释了将 x 视为常数,并使用正弦函数的导数。

涉及知识点
  1. f 关于 y 的偏导数
  2. 对函数 f(x,y)=x2sin⁡(y)f(x,y)=x^2\sin(y) 求关于 y 的偏导数 ∂f∂y\frac{\partial f}{\partial y}。

偏导数是如何排列组成梯度向量的?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    梯度被写作 [2xsin⁡(y)x2cos⁡(y)]\begin{bmatrix}2x\sin(y)\\ x^2\cos(y)\end{bmatrix}。

  2. 声音
    观察依据

    主讲人说,梯度把各个偏导数整合进一个向量中。

涉及知识点
  1. 该示例函数的梯度,以列向量形式表示
  2. 由两个偏导数组装梯度向量。

符号 ∇\nabla 表示什么?此处如何发音?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    主讲人将倒三角符号称为“nabla”,并说明它通常读作“del”。

涉及知识点
  1. 梯度的记号:〔∇f〕

∇f\nabla f 是一个单独的向量,还是关于 (x,y) 的函数?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    主讲人指出,梯度是一个向量值函数,输入一个点,输出一个向量。

涉及知识点
  1. 梯度作为输入点的向量值函数
  2. 将 ∇f\nabla f 视为唯一固定的向量

若函数由两个变量变为三个变量,梯度会发生什么变化?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    主讲人表示,若函数有三个变量,则会有三个偏导数,输出为三维向量。

涉及知识点
  1. 梯度概念向三个变量的推广
  2. 梯度的三变量类比

本片段是否完成了通用梯度公式的书写?

时间近似
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    仅写出了一般向量的开头部分,其顶部分量为 ∂f∂x\frac{\partial f}{\partial x}。

待核验内容
  1. 一般梯度公式的完整形式在本片段中未完成。

涉及知识点
  1. 一般梯度公式的起始部分

我该如何计算一个多变量函数的梯度?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    屏幕上展示一个演算示例。

涉及知识点
  1. 梯度向量的定义
  2. 计算偏导数
  3. 示例:函数 f(x,y)=x2sin⁡(y)f(x,y) = x^2 \sin (y) 的梯度

倒三角符号(∇)在微积分中表示什么含义?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    对三角形符号的解释。

涉及知识点
  1. 倒三角符号作为算子向量

倒三角算子有多少个分量?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    关于2维函数与3维函数的讨论。

涉及知识点
  1. 倒三角符号作为算子向量
  2. 倒三角算子 ∇ 的维数
覆盖情况与待核验内容

已覆盖 · 音频引入主题为“计算梯度”,并说明几何解释将后续展开;标题可见。

已覆盖 · 示例函数 f(x,y)=x2sin⁡(y)f(x,y)=x^2\sin(y) 被写出并口述。

已覆盖 · 主讲人将梯度定义为“整合”所有偏导数信息。

已覆盖 · x 方向的偏导数被计算并在黑板上写出。

已覆盖 · y 方向的偏导数被计算并在黑板上写出。

已覆盖 · 梯度符号被引入,且两个偏导数被组合成一个列向量。

已覆盖 · 主讲人强调,梯度是关于点 (x,y) 的向量值函数。

已覆盖 · 口头拓展至三个变量及三维输出的情形。

已覆盖 · 通用梯度公式已开始书写,但在片段结束前未完成;已有内容仍被完整呈现。

已覆盖 · 通过具体实例引入梯度概念,并演示偏导数的计算过程。

已覆盖 · 从概念上解释倒三角符号(∇)是一个算子向量,并讨论其维数特性。

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